(57)【要約】  本発明は、原子力工学に関し、動力炉のための燃料要素の製造において使用され得る。発明の要点として、高クロム鋼製の燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継合の変形が提案され、溶接継ぎ目のその後の熱処理の必要なく、製造プロセスを簡素化する、ケーシングとプラグとの間の高品質な溶接継合の生成の結果として、原子炉燃料要素の、より信頼性の高い密閉を提供する。これは、フェライトマルテンサイト鋼とフェライト鋼との異なる組合せからなるケーシングとプラグとの間の継合の構造を調節し、前述した相の形成を保証するために必要なサイズ比パラメータを観察することによる、継ぎ目の金属におけるフェライト相の生成によって達成される。
2019502558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手であって、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製のケーシングと、高クロムフェライト鋼製のプラグとが使用され、以下の式、
【数１】
2019502558.tif 000012
に従って選択されるパラメータを有し、ここで、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δは、ケーシング厚みである
ことを特徴とする、溶接継手。
【請求項２】
ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手であって、１：１または１：２の厚み比で、フェライト鋼製の外側層とフェライトマルテンサイト鋼製の内側層とを有するバイメタルケーシングと、フェライトマルテンサイト鋼製のプラグとが使用され、以下の式、
【数２】
2019502558.tif 000013
に従って選択されるパラメータを有し、ここで、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δ1は、前記バイメタルケーシングの前記外側層の厚みであり、
δ2は、前記バイメタルケーシングの前記内側層の厚みである
ことを特徴とする、溶接継手。
【請求項３】
ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手であって、フェライトマルテンサイト鋼製のケーシングと、フェライト鋼製の外側層とフェライトマルテンサイト鋼製の内側層とを有するバイメタルプラグとが使用され、以下の式、
【数３】
2019502558.tif 000014
に従って選択されるパラメータを有し、ここで、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δは、ケーシング厚みであり、
δ1は、前記バイメタルプラグの前記外側層の厚みである
ことを特徴とする、溶接継手。
【請求項４】
ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手であって、ともに高クロムフェライトマルテンサイト鋼製であり、それらの間にフェライト鋼製のリングを備えたケーシングおよびプラグが使用され、以下の式、
【数４】
2019502558.tif 000015
に従って選択されるパラメータを有し、ここで、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
ｃは、リング厚みであり、
δは、ケーシング厚みである
ことを特徴とする、溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力工学に関し、動力炉のための燃料要素の製造において使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
燃料要素の運転信頼性は、溶接継手の品質によって大部分が定められる。現在、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製のケーシングを有する高速中性子炉のための燃料要素は、非消耗式タングステン電極を使用したアルゴンアーク溶接（ＡＷ）法によって密閉される。
【０００３】
ケーシングとプラグとを備え、プラグ上に配置された可溶性ショルダを備えた突き合わせツール継手を有する溶接継手が知られている（Ｐｈ．Ｇ．Ｒｅｓｈｅｔｎｉｋｏｖによって編集された書籍「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｕｅｌ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｐｏｗｅｒ  ｒｅａｃｔｏｒｓ」、第２巻、Ｅｎｅｒｇａｔｏｍｉｚｄａｔ出版、１９９５年、１８５〜１８６頁、表２０．１ａを参照）。いくつかの溶接継手は、高クロムフェライトマルテンサイト鋼を含む、同じ等級の材料を使用する。溶接継手に求められる要件は、文献ＯＳＴ  ９５  ５０３−２００６に定義されている。
【０００４】
高クロムフェライトマルテンサイト鋼の溶接に固有の主な欠点は、これら鋼材における溶接が完了すると、一定の時間期間後に、構造の急冷（quenching structures）および低温割れが進行し得ることにある。
【０００５】
そのような鋼材の高品質な溶接継手を生成するために、溶接継手焼き戻しの追加の工程が必要とされ、これは、２０〜３０分間、７４０〜７６０℃において実行され、溶接工程とその後の焼き戻しとの間の最短時間を可能な限り維持する。溶接継ぎ目焼き戻し後にこの工程を実行することは、一定の費用を必要とし、特に、燃料を装填された燃料要素を密閉する溶接継手が焼き戻しされた場合、燃料要素製造の技術を複雑化する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の技術的効果は、製造プロセスを簡素化する、溶接継ぎ目のその後の熱処理を必要としないケーシングとプラグとの間の高品質な溶接継手の生成の結果として、高クロム鋼製のケーシングを有する原子炉燃料要素の信頼性が向上した密閉を提供することである。
【０００７】
この技術的効果は、ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手によって提供され、ここにおいて、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製のケーシングと、高クロムフェライト鋼製のプラグとが使用され、以下の式、
【０００８】
【数１】
2019502558.tif 000003
【０００９】
に従って選択されるパラメータを有し、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δは、ケーシング厚みである。
【００１０】
この技術的効果は、ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手によって提供され、ここにおいて、１：１または１：２の厚み比で、フェライト鋼製の外側層とフェライトマルテンサイト鋼製の内側層とを有するバイメタルケーシングと、フェライトマルテンサイト鋼製のプラグとが使用され、以下の式、
【００１１】
【数２】
2019502558.tif 000004
【００１２】
に従って選択されるパラメータを有し、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δ1は、バイメタルケーシングの外側層の厚みであり、
δ2は、バイメタルケーシングの内側層の厚みである。
【００１３】
この技術的効果は、ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手によって提供され、ここにおいて、フェライトマルテンサイト鋼製のケーシングと、フェライト鋼製の外側層とフェライトマルテンサイト鋼製の内側層とを有するバイメタルプラグとが使用され、以下の式、
【００１４】
【数３】
2019502558.tif 000005
【００１５】
に従って選択されるパラメータを有し、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δは、ケーシング厚みであり、
δ1は、バイメタルプラグの外側層の厚みである。
【００１６】
この技術的効果は、ともに高クロム鋼製であり、アルゴンアーク溶接法によって接合された、燃料要素ケーシングとプラグとの間の溶接継手によって提供され、ここにおいて、ともに高クロムフェライトマルテンサイト鋼製であり、それらの間にフェライト鋼製のリングを備えたケーシングおよびプラグが使用され、以下の式、
【００１７】
【数４】
2019502558.tif 000006
【００１８】
に従って選択されるパラメータを有し、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
ｃは、リング厚みであり、
δは、ケーシング厚みである。
【００１９】
溶接継手を形成するために、ともに高クロムフェライトおよびフェライトマルテンサイト鋼製のケーシングおよびプラグが、その相対位置を変化させることによって相互接合され、これによって、溶接継ぎ目のその後の熱処理の必要なく、溶接継ぎ目金属において、フェライト相を形成する（Ｇ．Ａ．Ｎｉｋｏｌａｅｖらによって編集された書籍「Ｗｅｌｄｉｎｇ  ｉｎ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｍａｎｕａｌ。全４巻」、モスクワ、Ｍａｓｈｉｎｏｓｔｒｏｅｎｉｅ出版、１９７８年−Ａ．Ｉ．Ａｋｕｌｏｖａによって編集された第２巻、１７９〜１８３頁を参照）。従って、原子炉燃料要素の製造が簡素化される。
【００２０】
プラグショルダ幅、ケーシング厚み（バイメタルが使用される場合を含む）、リング厚み、および溶け込み深さのための比率範囲が、溶接継ぎ目金属におけるフェライト相を取得するために必要な条件として選択される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】フェライトマルテンサイト鋼製のケーシング１と、フェライト鋼製のプラグ２とを含む溶接継手の構造を示す図。
【図２】バイメタルケーシング１と、フェライト鋼製の外側層３と、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製の内側層４と、フェライトマルテンサイト鋼製のプラグ２とを含む溶接継手の構造を示す図。
【図３】高クロムフェライトマルテンサイト鋼製のケーシング１と、バイメタルプラグ２とを含む溶接継手の構造を示す図。
【図４】高クロムフェライトマルテンサイト鋼製のケーシング１およびプラグ２と、フェライト鋼製であり、溶接継手領域においてケーシングとプラグとの間に配置されたリング７とを含む溶接継手の構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、フェライトマルテンサイト鋼製のケーシング１と、フェライト鋼製のプラグ２とを含む溶接継手の構造を図示する。
【００２３】
特許請求される溶接継手構造の溶接継ぎ目の金属中にフェライト相を生成するために、以下の式、
【００２４】
【数５】
2019502558.tif 000007
【００２５】
に従って選択されるパラメータに従うことが必要とされ、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δは、ケーシング厚みである。
【００２６】
図２は、バイメタルケーシング１と、フェライト鋼製の外側層３と、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製の内側層４と、フェライトマルテンサイト鋼製のプラグ２とを含む溶接継手の構造を図示する。
【００２７】
特許請求される溶接継手構造の溶接継ぎ目の金属中にフェライト相を生成するために、以下の式、
【００２８】
【数６】
2019502558.tif 000008
【００２９】
に従って選択されるパラメータに従うことが必要とされ、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δ1は、バイメタルケーシングの外側層の厚みであり、
δ2は、バイメタルケーシングの内側層の厚みである。
【００３０】
図３は、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製のケーシング１と、バイメタルプラグ２とを含む溶接継手の構造を図示しており、その外側層５は、フェライト鋼で構成され、内側層６は、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製である。
【００３１】
特許請求される溶接継手構造の溶接継ぎ目の金属中にフェライト相を生成するために、以下の式、
【００３２】
【数７】
2019502558.tif 000009
【００３３】
に従って選択されるパラメータに従うことが必要とされ、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
δは、ケーシング厚みであり、
δ1は、バイメタルプラグの外側層の厚みである。
【００３４】
図４は、高クロムフェライトマルテンサイト鋼製のケーシング１およびプラグ２と、フェライト鋼製であり、溶接継手領域においてケーシングとプラグとの間に配置されたリング７とを含む溶接継手の構造を図示する。
【００３５】
特許請求される溶接継手構造の溶接継ぎ目の金属中にフェライト相を生成するために、以下の式、
【００３６】
【数８】
2019502558.tif 000010
【００３７】
に従って選択されるパラメータに従うことが必要とされ、
ａは、ケーシングショルダ幅であり、
ｂは、溶け込み深さであり、
ｃは、リング厚みであり、
δは、ケーシング厚みである。
【００３８】
溶接継手パラメータと、プラグショルダ幅、ケーシング壁厚み、および溶け込み深さのようなその必須の構造パラメータとが開発され、以下の技術的パラメータ、
−ケーシング厚みは、０．４乃至０．５ｍｍ、
−ショルダ幅は、０．２乃至１ｍｍ、
−溶け込み深さは、ケーシング厚み以上、ケーシング厚みの１．２倍以下、
−ケーシングとプラグとの間の突き合わせ領域における電極軸の配置、
に基づいて計算された。
【００３９】
開発された構造における溶接継ぎ目金属の所定の相組成を有する溶接継手の要求される品質を提供する溶接モードは以下の通りであり、
溶接電流は１４〜２０Ａ、
溶接速度は１２〜１５ｍ／時、
アーク電圧は９〜１０Ｖ、
アルゴン割合は７〜８ｌ／分
である。
例示的な実施形態１
燃料要素ケーシングは、フェライトマルテンサイト鋼ＥＰ−８２３製であり、ケーシングの直径は９．３ｍｍであり、壁厚みは０．５ｍｍであり、プラグはフェライト鋼材０５Ｘ１８Ｃ２ＢΦАｙｕ製であり、プラグにおけるショルダ幅は０．８ｍｍであり、ショルダの直径はケーシング直径に一致する（図１参照）。
【００４０】
燃料要素は、以下のパラメータ、
溶接電流１５Ａ、
溶接速度１４ｍ／時、
アーク電圧９Ｖ、
アルゴン割合８ｌ／分
を用いてＡＷ法に従って密閉された。
例示的な実施形態２
燃料要素ケーシングは、鋼材０５Ｘ１８Ｃ２ＭＢΦАｙｕ製の外側層と、鋼材ＥＰ−８２３製の内側層とを有する０．５ｍｍの厚みのバイメタルケーシングであり、ここにおいて、厚み比は１：２であった。プラグは、鋼材ＥＰ−８２３製であり、ショルダ幅は、０．８ｍｍであった（図２参照）。ケーシングおよびプラグは、例１におけるものと同じパラメータに従って、ともに溶接された。
例示的な実施形態３
燃料要素ケーシングは、厚み０．５ｍｍを有する鋼材ＥＰ−８２３製であり、バイメタルプラグの外側層は、鋼材０５Ｘ１８Ｃ２ＭＢΦАｙｕ製であり、内側層は、鋼材ＥＰ−８２３製であった（図３参照）。溶接領域において、鋼材０５Ｘ１８Ｃ２ＭＢΦАｙｕ製のプラグ外側層の厚みは０．２ｍｍであった。ケーシングおよびプラグは、図１におけるものと同じパラメータに従ってともに溶接された。
例示的な実施形態４
ケーシングおよびプラグは、鋼材ＥＰ−８２３製であった。ケーシング厚みは０．４ｍｍであり、プラグショルダ厚みは０．４５ｍｍであった。０．７５ｍｍの厚みを有する鋼材０５Ｘ１８Ｃ２ＭＢΦАｙｕ製のリングが、プラグショルダとケーシングとの間に配置された（図４参照）。溶接モードは、例１におけるものと同じであった。
【００４１】
開発された技術に従って、燃料要素シミュレータが作成された。
【００４２】
図１〜図４に図示された様々な実施形態による、選択された技術的パラメータに基づく溶接継手の金属組織調査は、溶接継ぎ目金属における溶接継手のすべての実施形態において、フェライト相が生成されたことを示している。
【００４３】
表１は、開発された継手構造の実施形態に従う、溶接継手の機械的特性を表す。
【００４４】
機械的強度試験は、サンプルの破裂が、燃料要素シミュレータのケーシングにわたって発生することを示した。
【００４５】
溶接継手は４０００時間の間、鉛冷却材における腐食に関して試験された。溶接継手の耐食性は、燃料ケーシングの耐食性のレベルにとどまることが発見された。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
室温において、質量分析法によるヘリウム漏れ検出器を使用して実行された気密性に関する溶接継手の試験は、すべての継手が、空気を通さないように密閉されていることを示した。
【００４８】
高クロム鋼製のケーシングとプラグとの間の溶接継手の実施形態の使用は、その品質を改善し、製造プロセスを大幅に簡素化するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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